NTNU Fakultet for Naturvitskap og Teknologi Institutt for Fysikk Løysingsframlegg prøveeksamen TFY4215/FY1006 Innføring i Kvantemekanikk

Like dokumenter
Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2015

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2015

Kontinuasjonseksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk august 2013

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk august 2014

Fasit Kontekesamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk 2015

Løysingsframlegg eksamen TFY4215/FY1006 Innføring i Kvantemekanikk vår 2013

Faglærar: Professor Jens O. Andersen Institutt for Fysikk, NTNU Telefon: August 6, r L2. r r. h 2 r 2 ) sin 2 θ φ.

Fasit Kontekesamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk 2015

Løysingsframlegg øving 1

Eksamen TFY4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk Vår 2013

FY1006/TFY Løysing øving 5 1 LØYSING ØVING 5. Krumning og stykkevis konstante potensial

FY1006/TFY Løysing øving 4 1 LØYSING ØVING 4. Vibrerande to-partikkelsystem. = k(x l) og F 2 = V = V. k (x l) dvs ω 1 =,

Fasit TFY4215/FY1006 Innføring i kvantefysikk Vår 2014

Løsningsforslag Konte-eksamen 2. august 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

FY1006/TFY Løysing øving 7 1 LØYSING ØVING 7

TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Løsning øving 1 1 LØSNING ØVING 1

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Løysing øving 2 1 LØYSING ØVING 2. a) For grunntilstanden for den harmoniske oscillatoren har vi

TFY Løsning øving 4 1 LØSNING ØVING 4. Vibrerende to-partikkelsystem

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Øving 2 1 ØVING 2. Krumningseigenskapar for eindimensjonale energieigenfunksjonar

Løsningsforslag Eksamen 5. august 2009 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

FY1006/TFY Øving 4 1 ØVING 4

Eksamen i fag FY1004 Innføring i kvantemekanikk Tirsdag 22. mai 2007 Tid:

EKSAMEN I SIF4048 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK Tirsdag 13. august 2002 kl

Løsningsforslag Konte-eksamen 13. august 2002 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk - Øving 1 1 ØVING 1. En liten briefing om forventningsverdier, usikkerheter osv

Løsningsforslag Matematisk fysikk, 28. mai 2001

EKSAMENSOPPGAVE. Eksamen i: Fys-2000 Kvantemekanikk Dato: 5. juni 2013 Tid: Kl Sted: Åsgårdveien 9. og fysikk, lommekalkulator

Oppgave 2 Vi ser på et éndimensjonalt system hvor en av de stasjonære tilstandene ψ(x) er gitt som { 0 for x < 0, ψ(x) = Ne ax (1 e ax (1)

Løsningsforslag Eksamen 27. mai 2011 FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk

TFY Løsning øving 5 1 LØSNING ØVING 5. Krumning og stykkevis konstante potensialer

Løsningsforslag Eksamen 1.juni 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 28. mai 2003 SIF4048 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 12. august 2004 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Eksamen i fag FY1004 Innføring i kvantemekanikk Fredag 30. mai 2008 Tid: a 0 = 4πǫ 0 h 2 /(e 2 m e ) = 5, m

A.3.e: Ortogonale egenfunksjonssett

En samling av mer eller mindre relevante formler (uten nærmere forklaring) er gitt til slutt i oppgavesettet.

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Øving 1 1 ØVING 1. En liten briefing om forventningsverdier, usikkerheter osv

FY1006/TFY Øving 7 1 ØVING 7

Løsningsforslag Eksamen 26. mai 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Oppgave 1 (Teller 34 %) BOKMÅL Side 1 av 5. NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET Institutt for fysikk

Ein par(kkel i 3 dimensjonar

TFY Øving 7 1 ØVING 7. 3-dimensjonal isotrop harmonisk oscillator

Løsningsforslag Eksamen 11. august 2010 FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk

Eksamen FY1006/TFY mai løsningsforslag 1

Hermiteske og ikke-hermiteske operatorer, kommutatorer,

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantefysikk, Mandag 3. juni 2019

EKSAMEN I SIF4018 MATEMATISK FYSIKK mandag 28. mai 2001 kl

Løsningsforslag Eksamen 13. august 2011 FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk

A.5 Stasjonære og ikke-stasjonære tilstander

Løsningsforslag Eksamen 7. august 2006 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

EKSAMENSOPPGAVE. Tillatte hjelpemidler: K. Rottmann: Matematisk Formelsamling Lommekalkulator med tomt minne

Eksamen i TFY4170 Fysikk 2 Mandag 12. desember :00 18:00

FY1006/TFY Løsning øving 9 1 LØSNING ØVING 9

LØSNING ØVING 2. Løsning oppgave 5. TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Løsning øving 2 1

EKSAMEN I FAG SIF4065 ATOM- OG MOLEKYLFYSIKK Fakultet for naturvitenskap og teknologi 13. august 2002 Tid:

LØYSING ØVING 6. Grunntilstanden i hydrogenliknande atom

TFY Løsning øving 6 1 LØSNING ØVING 6. Grunntilstanden i hydrogenlignende atom

NORSK TEKST Side 1 av 4. Faglig kontakt under eksamen: Ingjald Øverbø, tlf , eller

Løsningsforslag Eksamen 6. juni 2007 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Tirsdag 29. mai 2018

FY6019 Moderne fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Våren Løsningsforslag til øving 4. 2 h

UNIVERSITETET I OSLO

TFY4215 Innføring i kvantefysikk - Øving 2 1 ØVING 2. Krumningsegenskaper for endimensjonale energiegenfunksjoner

B.1 Generelle egenskaper til energiegenfunksjoner

Eksamen i: FYS145 - Kvantefysikk og relativitetsteori Eksamensdag: Mandag 10. mai 2004, kl (3 timer)

Løsningsforslag for FYS2140 Kvantemekanikk, Torsdag 16. august 2018

EKSAMEN I TFY4215 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK onsdag 5. august 2009 kl

Løysingsframlegg TFY4305 Ikkjelineær dynamikk Haust 2012

Løsningsforslag Eksamen 20. desember 2012 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

Eksamen FY1004 Innføring i kvantemekanikk Tirsdag 22. mai 2007 Løsninger

Figur 1: Skisse av Franck-Hertz eksperimentet. Hentet fra Wikimedia Commons.

Løsningsforslag Eksamen 29. mai 2010 FY1006 Innføring i kvantefysikk/tfy4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

ØVING 2. Krumningseigenskapar for eindimensjonale energieigenfunksjonar. h2 + V (x). (0.1) 2m dx 2

Løsningsforslag Eksamen 16. august 2008 TFY4215 Kjemisk fysikk og kvantemekanikk

Løsningsforslag Eksamen 4. august 2008 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 14 1 LØSNING ØVING 14. ψ 210 z ψ 100 d 3 r a.

FY1006/TFY Løsning øving 3 1 LØSNING ØVING 3. Ikke-stasjonær bokstilstand

En partikkel med masse m befinner seg i et éndimensjonalt, asymmetrisk brønnpotensial

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk naturvitenskapelige fakultet

EKSAMEN I FY2045 KVANTEMEKANIKK I/ TFY4250 KVANTEMEKANIKK I Tirsdag 10. august 2010 kl

Samandrag TFY 4215/FY1006 Innføring i kvantemekanikk Vår 2014

EKSAMEN I TFY4215 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK Torsdag 12. august 2004 kl

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 8 1 LØSNING ØVING 8

Løsningsforslag til eksamen i SIF4022 Fysikk 2 Tirsdag 3. desember 2002

TFY Løsning øving 7 1 LØSNING ØVING 7. 3-dimensjonal isotrop harmonisk oscillator

FY1006/TFY4215 Innføring i kvantefysikk, - Ekstraøving 2 1. Ekstraøving 2. = 1 2 (3n2 l 2 l), = 1 n 2, 1 n 3 (l ), 1 n 3 l(l + 1.

Løsningsforslag Eksamen 27. mai 2005 FY2045 Kvantefysikk

Løysingsframlegg TFY 4305 Ikkjelineær dynamikk Haust 2011

Løsningsforslag Eksamen 8. august 2011 FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I

FYS2140 Kvantefysikk, Oblig 7. Sindre Rannem Bilden, Gruppe 4

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, øving 5 1 ØVING 5

EKSAMEN I FY1006 INNFØRING I KVANTEFYSIKK/ TFY4215 INNFØRING I KVANTEFYSIKK Onsdag 11. august 2010 kl

Løsning til øving 23 for FY1004, våren 2008

EKSAMEN I TFY4215 KJEMISK FYSIKK OG KVANTEMEKANIKK Mandag 23. mai 2005 kl

EKSAMEN I FY2045 KVANTEFYSIKK Mandag 2. juni 2008 kl

Transkript:

NTNU Fakultet for Naturvitskap og Teknologi Institutt for Fysikk øysingsframlegg prøveeksamen TFY4215/FY1006 Innføring i Kvantemekanikk Faglærar: Professor Jens O. Andersen Institutt for Fysikk, NTNU Telefon: 73593131 April 15, 2013 Oppgåve 1 For x er V (x) = og difor er ψ(x) 0 i dette området. I området x < og x 0 er Schrödingerlikniknga 2m ψ (x) = Eψ(x) = 0. (1) Integrasjon gjev då ψ(x) = ax + b, der a og b er konstantar. Vi finn først løysinga til høgre for x = 0 ved å bruke randkrava. Vi har lim x 0 + ψ(x) = ψ(0) og ψ() = 0. Dette gjev b = ψ(0) og a + b = 0. øysinga er da [ ψ(x) = ψ(0) 1 x ]. (2) øysinga til venstre for x = 0 er da gjeve ved ψ(x) = ψ(0) [ 1 + ] x og løysinga for alle x kan da skrivast som ψ(x) = ψ(0) [ ] 1 x. 1

For å finne samanhengen mellom α og, integrerer vi Schrödingerlikninga mellom x = ǫ og x = ǫ og tar grensa ǫ 0 etterpå. For x og E = 0 er Schrödingerlikninga Integrasjon gjev då 2m ψ (x) = αδ(x)ψ(x) (3) Dette gjev ǫ ψ (x) = 2m ǫ ǫ ǫ αδ(x)ψ(x). (4) 2m [ψ (ǫ) ψ ( ǫ)] = αψ(0). (5) Frå likning (2) har vi ψ (x) = ψ(0) sign(x) og difor ψ (0 ± ) = ± ψ(0). Innsett gjev dette Denne likninga kan ein lett løyse med omsyn på α: h 2 ψ(0) = αψ(0). (6) m α = h2 m. (7) For å finne ψ(0), må vi normere ψ(x). Dette gjev 1 = = ψ(x) 2 [ ψ(0) 2 1 x ] 2 = 2 3 ψ(0) 2. (8) Dette gjev ψ(0) = 3, der vi har sett fasen til ψ er lik null. Altså er den 8 normaliserte bølgjefunksjonen lik [ 3 ψ(x) = 1 x ]. (9) 2 Merk: ψ(x) er anten symmetrisk eller antisymmetrisk sidan potensialet er symmetrisk. Finst det ein antisymmetrisk bølgjefunksjon som har energi E = 0? For x > 0 er løysinga framleis på forma ψ(x) = ax + b. Ein odde funksjon tilfredsstiller alltid ψ(0) = 0 og difor er b = 0. Randkravet ψ() = 0 impliserer da at a = 0. Same resonnemet gjeld for x < 0. Difor er ψ(x) 0 og det finst altå ingen antisymmetrisk bølgjefunksjon med E = 0. 2

Oppgåve 2 I området x 0 er ψ 0 sidan V (x) =. I området 0 < x < er V (x) = 0 og Schrödingerlikninga blir da 2m ψ (x) = Eψ(x), (10) der 0 < E < V 0 er energien til den bundne tilstanden. Den generelle løysinga er der A og B er konstantar, og k = 2mE h 2 ψ(x) = A sin kx + B coskx, (11). I området x er Schrödingerlikninga 2m ψ (x) = [E V 0 ] ψ(x). (12) Den generelle løysinga er da ψ(x) = Ce Kx + De Kx, (13) der C og D er konstantar og K = 2m(V0 E). h 2 b) Vi noterer oss at B = 0 pga randkravet ψ(0) = 0. Vidare må vi ha C = 0 sidan ψ(x) skal vere normerbar. Vidare gjev kontinuiteten til ψ(x) og ψ (x) i x = Divisjon gjev da A sin k = De K (14) Ak cosk = DKe K. (15) k cot k = K. (16) Innsetting for K gjev til slutt ei likning for E 2mV0 k cotk = 2 h 2 (k) 2. (17) Denne likninga må løysast numerisk for k, dvs for E. Grunntilstanden har ingen nullpunkt viss ein ser bort frå randkravet i x = 0. ψ(x) er difor sinusoidal i området < x < og avtar eksponensielt for x > som er forbode i klassisk fysikk. c) Dersom V 0 må cot k fordi k og er endelege. Dette tilsvarer nullpunkta til sin k eller k = nπ (18) der n = 1, 2, 3... Denne grensa tilsvarer partikkel i boks og bølgetalet er i dette tilfellet k = nπ som nettopp er (18). I denne grensa må ein sjølsagt ha D = 0. 3

Oppgåve 3 a) Etter innsetting av ψ(r, φ) = Cre 1 2 mωr2 / h e iµφ i Schrödingerlikninga får vi Cre 1 2 mωr2 / h e iµφ [ h 2 (1 µ 2 ) 2mr 2 + 2 hω E Denne likninga skal gjelde for alle r og difor får ein ] = 0. (19) µ = ±1 E = 2 hω (20) b) Sidan ψ(r, θ) ikkje er normert, blir middelverdien r r = ψ(r, θ) 2 r d 2 r ψ(r, θ) 2 d 2 r, (21) der nemnaren er normeringsintegralet. Sidan bølgjefunksjonen absoluttverdikvadrat er uavhengig av polarvinkelen θ, kansellerer vinkelintegralet i tellar og nemnar. Ved innsetting får vi da r = ψ(r, θ) 2 r 2 dr ψ(r, θ) 2 r dr. 0 r 4 e mωr2 / h dr = 0 r 3 e mωr2 / h dr = 3 hπ 4 mω. (22) c) Nei, dette er ikkje grunntilstanden til den todimensjonale oscillatoren. Dersom vi går til kartesiske koordinatar, kan vi skrive Hamiltonoperatoren som ein sum av av to Hamiltonoperatorar for ein eindimensjonal oscillator. Sidan V = 1 2 mω2 r 2 = 1 2 mω2 x 2 + 1 2 mω2 y 2, er oscillatoren isotrop. Energien til ein todimensjonal oscillator er gjeve ved summen av energien til den eindimensjonale oscillatoren og kan då skrivast som ( ) ( ) 1 1 E = hω 2 + n + hω 2 + m = hω (1 + n + m), (23) der m og n er heiltal. I a) fann vi at E = 2 hω. Dette tilsvarer n = 1 og m = 0 eller omvendt. Dette er altså første eksiterte tilstand som er dobbelt degenerert. Ein av tilstandane svarer til µ + 1 og den andre til µ = 1. 4

Oppgåve 4 a) For ein operator  har vi ( A) 2 = A 2 A 2, (24) som gjev informasjon om spreiinga av måleresultata for observabelen A i tilstanden ψ. Innhaldet er da at produktet av usikkerheita for x og p x aldri 1 kan bli mindre enn 2 h. Dette tyder at ein ikkje kan spesifisere posisjon og impuls til ein partikkel samtidig. Posisjon og impuls kan ikkje vere skarpe samtidig. b) Hamiltonoperatoren for ein oscillator i ein romleg dimensjon er Ĥ = ˆp2 2m + 1 2 mω2ˆx 2, (25) der m er massen og ω er frekvensen. Operatoren ˆp kommuterer med opera-, slik at toren ˆp2 2m Innsetting gjev då [Ĥ, ˆp] = 1 2 mω2 [ˆx 2, ˆp] = 1 2 mω2 (ˆx[ˆx, ˆp] + [ˆx, ˆp]ˆx) = i hmω 2ˆx (26) d dt p = mω2 x. (27) Dette er ikkje noko anna ein Newtons 2.lov for middelverdiane x og p. Dersom V (x) = 1 2 mω2 x 2 er krafta F = dv = dx mω2 x. Dette gjev den klassiske likninga dp dt = dv = mω 2 x. (28) Dette er eit eksempel på Ehrenfests teorem. c) Atomet kan eksistere i eit diskret sett av tilstandar med ein bestemt energi E. Når elektronet hoppar frå eit diskret energinivå til eit anna med lågare energi, blir energidifferansen sendt ut som elektromagnetisk stråling som forklarer dei diskrete diskrete spektrallinjene for hydrogen (viss det nye energinivået har høgare energi vil det kreve tilføring av eit lyskvant). Dette er 5

ideen om kvantesprang bryt med klassisk fysikk. I tillegg bevegar elektrona seg i sirkelbaner der radien er gjeve av klassisk mekanikk. Dette er ikkje i samsvar med klassisk fysikk fordi elektron i sirkelbaner sender ut stråling og vil raskt spiralere inn mot kjerna og atomet vil kollapse. I tillegg postulerte Bohr at banespinnet er kvantisert og er gjeve ved = n h, der n = 1, 2, 3,... Dette gjev rett verdi for energinvåa E n til hydrogenatomet og difor rett spektrum, men i grunntilstanden til H er banespinnet = 0. d) a  vere ein hermitesk operator, ψ n ein normert eigenfunksjon til operatoren og A n den tilhøyrande eigenverdien. Vi har da ψ nâψ n dτ = A n ψn ψ n dτ = A n. (29) Frå definisjonen av den adjungerte til ein operator kan vi skrive ψ nâ ψ n dτ = (Âψ n) ψ n dτ = A n ψnψ n dτ = A n (30) Sidan  er hermitesk, er (29) lik (30), dvs A n = A n, altså reell. Q.E.D. a ψ(x) 1 og ψ(x) 2 vere to vilkårlege (normerbare) funksjonar. ( ψ1(x) i h d ) [( ψ 2 (x) = i h d ) ψ 1 (x)] ψ 2 (x) dψ1 = i h (x) ψ 2(x), (31) der vi har brukt definisjonen på den adjungerte til ein operator. Delvis integrasjon gjev no ( ψ1 (x) i h d ) ψ 2 (x) = ih dψ 1(x) ψ 2(x) ih ψ1 (x)dψ 2(x), ( = ψ1 (x) i h d ) ψ 2 (x), (32) der vi har brukt at bidraget frå randa er lik null. Dette viser at operatoren ˆp x = i h d er hermitesk. Q.E.D. e) Ein bunden tilstand er beskrive av ein bølgjefunksjon som er normerbar. Ein slik tilstand er lokalisert i rommet. Det vil seie at sannsynlegheiten for å finne partikkelen uendeleg langt unna ( r ) er lik null. Eksempel: Alle energieeigentilstandar for hydrogenatomet med E < 0. Planbølgjer er ikkje bundne eller normerbare tilstandar. 6